船體零部件標準化設(shè)計思路

魏 雷，趙守君，于 洋，汪文灝

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

0 引言

船舶行業(yè)是為水上交通、海洋資源開發(fā)及國防建設(shè)提供技術(shù)裝備的現(xiàn)代綜合性戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)階段，大多數(shù)船廠在生產(chǎn)過程中應(yīng)用較多的是自動化建造方法，隨著智能制造相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展、推廣和應(yīng)用，一些船廠在分段建造的部分工序上實現(xiàn)了智能化生產(chǎn)，但大范圍應(yīng)用還未實現(xiàn)，原因之一是造船廠屬于離散型制造企業(yè)，訂單類型多，批量小，工業(yè)路線交叉復(fù)雜，流程斷點多。這種產(chǎn)品特性使得智能制造技術(shù)的大范圍應(yīng)用有較高的技術(shù)難度，因此很多船廠僅在個別生產(chǎn)工序上嘗試應(yīng)用智能制造生產(chǎn)技術(shù)。如果將船體結(jié)構(gòu)中大量的肘板、補板、筋板、肋板、肋骨、支撐座等非標準零部件通過標準化設(shè)計手段，優(yōu)化成小品種大批量的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式，可以降低智能制造的技術(shù)實現(xiàn)難度，更容易實現(xiàn)零部件的標準化、流水線作業(yè)方式。

1 船廠生產(chǎn)特點

船廠屬于典型的離散型制造企業(yè)，具有以下特點：

1）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)冗雜。產(chǎn)品類型為多品種、小批量，最終產(chǎn)品由固定個數(shù)的零件或部件組成。

2）工藝流程復(fù)雜。生產(chǎn)設(shè)備的布置不是按照產(chǎn)品而是按照工藝進行布置。每個產(chǎn)品的工藝過程都可能不一樣，需要對中間產(chǎn)品進行理料、調(diào)度和配送。

3）整體自動化水平較低。由于生產(chǎn)過程是離散加工，產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率在很大程度上依賴工人的技術(shù)水平，自動化、智能化主要為單元級，例如數(shù)控切割、型材切割、小組立生產(chǎn)線等，整體自動化、智能化水平相對較低。

在現(xiàn)有的生產(chǎn)技術(shù)條件下，船廠的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不符合自動化、智能化的生產(chǎn)模式。本文將屬性不同但是有共性的船體零部件在設(shè)計階段統(tǒng)一標準，促使零部件結(jié)構(gòu)形式向少品種、大批量的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模式轉(zhuǎn)變，有利于實現(xiàn)生產(chǎn)制造階段的自動化和智能化。

2 船體零部件標準化設(shè)計思路

每型船的結(jié)構(gòu)形式源自個性化、定制化設(shè)計，具體的結(jié)構(gòu)形式和尺寸根據(jù)理論計算得出，不同型船舶之間的結(jié)構(gòu)形式差異較大。即使同一型船同一區(qū)域內(nèi)的零部件，也可能因為計算結(jié)果的微小差別或計算方法的不同，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)形式的差異。

船體零部件的基本屬性構(gòu)成包括名稱、板厚、材質(zhì)、尺寸和幾何形狀。船體中有很多結(jié)構(gòu)相似的零部件，它們會有部分相同的屬性。船體零部件的標準化設(shè)計思路是將船體相似結(jié)構(gòu)的零部件設(shè)計成屬性相同的形式，從而減少零部件的種類，形成小品種大批量的中間產(chǎn)品。按照標準件、通用件設(shè)計和制造模式，簡化建模、出圖和校對工作，零部件集中進行套料、切割、加工、打磨、領(lǐng)用和配送，更容易實現(xiàn)生產(chǎn)工序的連續(xù)化、自動化和智能化。

下面以船體結(jié)構(gòu)常見的肘板、補板、肋板、支撐座和T排等為例，分析船體零部件標準化設(shè)計思路。

2.1 肘板

肘板是連接2個以上構(gòu)件的連接件，能增加連接節(jié)點的剛性和保證相交結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，同時可以傳遞各種力，減小連接處的應(yīng)力集中，改善接頭的工藝性，通常是船體結(jié)構(gòu)中數(shù)量最多的一種零件。以某液化氣船為例，全船零件約10萬個，肘板個數(shù)約1.7萬個，肘板種類近550種，總重量約20 t，以分段為單位對肘板進行套料、切割和加工，占用多道生產(chǎn)工序。

為減少肘板規(guī)格種類，設(shè)計階段在滿足結(jié)構(gòu)強度的基礎(chǔ)上整體考慮全船肘板設(shè)計，合并板厚和材質(zhì)，尺寸類似的肘板統(tǒng)一大小，減少肘板種類，增加每種規(guī)格肘板數(shù)量。生產(chǎn)階段按照通用件和標準件進行集中生產(chǎn)和管理。

2.2 補板

船體結(jié)構(gòu)貫穿孔增加補板的作用主要有3種：

1）水密艙壁，加水密補板。

2）非水密艙壁，加補板補償強度。

3）對有防火或氣密要求的艙壁，加補板保證達到A0級以上防火要求或氣密要求。

同樣以某液化氣船為例，全船零件約10萬個，補板個數(shù)約1.4萬個，補板種類約160種，總重量約6.7 t，與肘板同樣存在數(shù)量多和種類多帶來的一系列問題。

按照現(xiàn)在的補板設(shè)計標準，補板的尺寸和規(guī)格主要取決于對應(yīng)貫穿的型材規(guī)格和艙壁材料（圖1）。針對補板尺寸設(shè)計，可以將固定的節(jié)點尺寸設(shè)計成一定范圍內(nèi)的值，則同一種尺寸規(guī)格的補板和貫穿孔可兼容一定尺寸范圍內(nèi)不同規(guī)格的型材。如圖2所示，將

a

和

b

的值設(shè)計在一定范圍內(nèi)，則不同規(guī)格的型材貫穿孔可以使用同種規(guī)格的補板，從而達到減少補板種類的目的。再從板厚和材質(zhì)方面統(tǒng)一規(guī)格，進一步減少肘板種類。

圖1 補板結(jié)構(gòu)（單位：mm）

圖2 補板設(shè)計優(yōu)化（單位：mm）

2.3 雙層底肋板及加強筋

肋板作為雙層底區(qū)域橫向結(jié)構(gòu)，尺寸主要由雙層底高度和縱桁間距確定，肋板外部尺寸基本相同。肋板加強筋的厚度和材質(zhì)通常與底板不同，生產(chǎn)設(shè)計需要選擇不同板厚和材質(zhì)的母板進行套料，最終一塊肋板上的零件可能來自多張?zhí)琢习鍒D。

以某型船雙層底肋板結(jié)構(gòu)（圖3）為例，該肋板共包括10.0A、12.0A、13.0AH32這3種板厚材質(zhì)的零件，對應(yīng)切割板圖 NX01、NX02、NX03。要制作完成該小組立需要切割完 NX01、NX02、NX03這樣3張鋼板，再進行理料、加工和配送等工作。該種模式下從切割開始需要6次配送才能到達組對工序（圖4流程一）。如果將肋板上的加強筋和母材的材質(zhì)板厚統(tǒng)一，設(shè)計時肋板包含的所有零件可以套用1張鋼板，實際生產(chǎn)過程中只需要2次配送就能到達組對工序（圖4流程二）。

圖3 肋板結(jié)構(gòu)

圖4 分段生產(chǎn)工序?qū)Ρ?/p>

因此，在統(tǒng)一肋板加強筋板厚和材質(zhì)的基礎(chǔ)上，確保同一區(qū)域的肋板結(jié)構(gòu)相同，設(shè)計上按照通用件模式進行設(shè)計，生產(chǎn)階段容易實現(xiàn)肋板的自動化、智能化和流水線生產(chǎn)模式。

2.4 支撐座

支撐座作為支撐液化氣船液罐的主要受力構(gòu)件，起到支撐、限位、防傾等作用，全船支撐座數(shù)量為500個～1 000個，同種類型支撐座為100個～200個。詳細設(shè)計中同一類型支撐座的結(jié)構(gòu)尺寸相同，但是在實際生產(chǎn)設(shè)計模型和圖紙中，因為一些節(jié)點的具體要求，同一類型支撐座之間可能存在10 mm以內(nèi)的尺寸偏差，每個支撐座并不完全相同，相互之間不能通用。

如果在滿足總體強度和規(guī)范的前提下，對支撐座結(jié)構(gòu)節(jié)點形式進行分析計算和優(yōu)化設(shè)計，制定具體節(jié)點的設(shè)計允許公差范圍，在生產(chǎn)設(shè)計過程中可以將同類型支撐座設(shè)計成結(jié)構(gòu)形式相同的標準件和通用件，該類型結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)設(shè)計時只需要繪制1套圖紙即可，設(shè)計和校對的效率大大提高。生產(chǎn)上可以做成支撐座生產(chǎn)線，實現(xiàn)機器人自動裝配和焊接。

2.5 T排

T排是船體結(jié)構(gòu)中常見的構(gòu)建，數(shù)量較多。為了提高自動化生產(chǎn)效率，很多船廠引進了T排流水線，對長直T排進行裝配、打磨和焊接的生產(chǎn)作業(yè)。船體中還存在很多趾端放大結(jié)構(gòu)形式的T排，因不是長直形狀，這種形式的T排不能在流水線上生產(chǎn)。通過對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，將趾端放大的T排做成“長直T排+肘板”的結(jié)構(gòu)形式，長直部分可以在T排流水線上進行生產(chǎn)加工，這種結(jié)構(gòu)改變對T排結(jié)構(gòu)本身的制作效率有了很大提高。

3 應(yīng)用實例

吊馬是一種船用附件，傳統(tǒng)生產(chǎn)方法是人工裝配和焊接，效率低下。常用的吊馬型號有91種，因為型號較多，給自動化生產(chǎn)方案制定帶來了很大困難。為了降低吊馬自動化生產(chǎn)線方案的技術(shù)實現(xiàn)難度，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和合并，將吊馬型號減少到 20種，自動化生產(chǎn)線的設(shè)計難度大大降低，實現(xiàn)了吊馬的自動化和智能化生產(chǎn)模式（圖5），質(zhì)量和效率方面都有很大提升。

圖5 吊馬工作站

4 結(jié)論

現(xiàn)代造船的發(fā)展趨勢之一就是融合先進的計算機和智能制造技術(shù)，因此需要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)設(shè)計理念，積極研究船體零部件標準化、通用化設(shè)計，使中間產(chǎn)品更好地與先進的生產(chǎn)方法相結(jié)合。

在船舶設(shè)計和建造過程中，受制型船結(jié)構(gòu)特點和實際生產(chǎn)條件的限制，基本不存在完全相同的 2個分段，從分段的角度看，標準化難以實現(xiàn)，分段建造仍然是離散型建造模式。但是通過對分段之間進行橫向拆分，分段間存在大量相似或相同的零部件，不同分段間的零部件是通用的或者可以設(shè)計成通用的。比如文中提到的補板、肘板、肋板、支撐座和T排等結(jié)構(gòu)，還有船體結(jié)構(gòu)常見的肋骨、橫梁、集裝箱導(dǎo)軌、基座加強和艙口圍等，通過一定的計算和設(shè)計手段，做成標準件、通用件，進行集中設(shè)計、生產(chǎn)和管理，減少中間生產(chǎn)工序（圖6）。

圖6 整體工序?qū)Ρ?/p>

分段零部件標準化設(shè)計，對分段設(shè)計、制造帶來的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）設(shè)計

相同類型的零部件只需要一套圖紙即可滿足后續(xù)生產(chǎn)，建模、出圖和校對的工作量大幅減少，提高效率。

2）生產(chǎn)

設(shè)計模式的轉(zhuǎn)變勢必使生產(chǎn)制造模式發(fā)生變化，標準化的零部件設(shè)計帶來的是標準的切割、加工、制造流程和工藝，生產(chǎn)流程內(nèi)無斷點，制造場地固定，容易實現(xiàn)自動化、智能化設(shè)備的研制和應(yīng)用。

3）質(zhì)量

設(shè)計環(huán)節(jié)減少，設(shè)計質(zhì)量更加容易控制。自動化、智能化的生產(chǎn)線的投入使用使產(chǎn)品質(zhì)量更加穩(wěn)定。

4）計劃（周期）

集中生產(chǎn)、領(lǐng)用模式使零部件的制作不受分段生產(chǎn)計劃的制約，計劃更加靈活，縮短了分段制造周期，提高生產(chǎn)效率。

在智能制造技術(shù)已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢的環(huán)境下，要認清現(xiàn)代造船的發(fā)展方向，引進新的生產(chǎn)管理模式，引進人工智能等技術(shù)，同時深入研究、優(yōu)化設(shè)計模式，這對豐富和發(fā)展我國造船業(yè)技術(shù)，提高造船水平具有重要意義。